建筑電氣節(jié)能減排措施及光伏新能源運用
充分利用自然接地體做建筑物的防雷與接地系統(tǒng)，需要系數(shù)法負荷計算的參差分布系統(tǒng)的引用，綠色照明和智能照明控制系統(tǒng)的應用都是實現(xiàn)建筑物節(jié)能、減排、低碳、環(huán)保、綠色的有效措施，值得設計師學習和推廣，而太陽能光伏建筑一體化也將成為人類居住建筑的又一發(fā)展趨勢。那么，下面是由小編為大家分享有關于能源減排相關知識，歡迎大家閱讀瀏覽。
1 前言
“世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會”發(fā)布報告稱，目前全世界建筑物能源消耗占全社會能源消耗總量的40%，是工業(yè)能耗的1.5倍。要實現(xiàn)“全球氣候目標”，建筑物能耗是最為關鍵的因素，這份名為《行業(yè)轉(zhuǎn)型：建筑物能源效率》的報告認為：至2050年，使建筑物的能源使用量減少60%是實現(xiàn)“全球氣候目標”的關鍵。通過大規(guī)模運用節(jié)能技術，到2050年建筑物可節(jié)約的能源總量相當于全球運輸業(yè)目前所使用的能源總量。報告以巴西、中國、歐洲、印度、日本和美國為研究對象，指出這六個地區(qū)的GDP占全球總量的約50%，消耗了全球近三分之二的主要能源。將既有建筑改造成高能效建筑，報告中的六個地區(qū)一年共需4000億美元。
節(jié)能和減排，兩項約束性指標已成為衡量經(jīng)濟社會發(fā)展的重要條件。以下的幾種優(yōu)化設計，在不增加設計、施工人員工作量的同時，有效的節(jié)省材料，減少工程量并提高了工程項目的安全可靠性，例如利用高層建筑自身鋼筋網(wǎng)做防雷接地裝置、需要系數(shù)法的負荷計算調(diào)整以及高效光源、節(jié)能燈具及附件的推廣運用等。這僅僅是建筑電氣一個專業(yè)進行節(jié)能減排改造的很小一部分，所以建筑物節(jié)能減排、降耗低碳改造的潛力是很大的。
2 建筑電氣節(jié)能減排優(yōu)化設計點滴
(1)利用建筑物結構鋼筋網(wǎng)建立更安全的防雷接地系統(tǒng)
1)高層建筑占地面積不大，一般為鋼筋混凝土框架結構或鋼結構，將屋面、各層結構板、墻體、柱、梁板和基礎的鋼筋網(wǎng)通過焊接或綁扎，形成眾多閉合的電氣通路(即法拉第籠)，可確保人身安全，避免接地故障引起的電器設備損壞和火災。即使建筑物頂部遭雷擊，其內(nèi)、外連通結構的垂直導體電位也很小，不會超過允許的接觸電壓范圍。
2)高層建筑內(nèi)電氣系統(tǒng)繁多，如配電、動力、照明、電子信息系統(tǒng)等，采用聯(lián)合接地可使接地系統(tǒng)涉及到建筑物各個角落，系統(tǒng)更統(tǒng)一，不僅省去了多個接地系統(tǒng)不易管理、維護的麻煩，還可以滿足接地系統(tǒng)低電阻值的要求。
聯(lián)合接地系統(tǒng)的優(yōu)點歸納起來有以下幾點：
�、俪浞掷米匀唤拥伢w，如水暖管、中低壓鎧裝電纜的鎧裝和基礎鋼筋等。人在建筑物中，其站立處距基礎鋼筋L≤5m，則可與建筑物構成“等電位面”，此時R(接地電阻)≤0.5Ω，至建筑物外電壓衰減曲線為“漏斗型”，衰減緩慢，所以不必再在室外設置均壓環(huán)和獨立人工接地體，節(jié)省了大量的金屬材料和施工工程量，并且基礎鋼筋是與建筑物同壽命的。
�、诜忾]的基礎鋼筋網(wǎng)是環(huán)形自然接地體，散流面積大，各個部分均可承擔接地作用，提高了接地可靠性，其電阻值較其它接地方式更小，并且各處阻值基本相同。
�、叟c配電系統(tǒng)結合，可快速切斷電源、消除間接電擊和接觸電壓，便于泄放接地故障電流。
高層建筑聯(lián)合接地的優(yōu)勢更為突出，表現(xiàn)在以下幾個方面：
①接地電阻值更小，由于高層建筑基礎和地面梁板鋼筋甚多并連接成為電氣通路，即便在土壤電阻率較高的地區(qū)，也可保證接地電阻R≤1Ω，經(jīng)過大量工程驗證，一般高層建筑的聯(lián)合接地電阻值均達不到0.3Ω.
②聯(lián)合接地可為建筑物內(nèi)各電氣系統(tǒng)及電子設備提供基準電位，可消除系統(tǒng)接地由阻抗電磁耦合產(chǎn)生的干擾，也可避免電磁場和地電位差(ΔU)對各信息網(wǎng)絡產(chǎn)生干擾。一些系統(tǒng)需要更可靠的基準電位，如信息系統(tǒng)(低電壓、小電流)，那么在設計中可利用基礎鋼筋焊接成封閉的環(huán)形接地體，也可在基礎鋼筋上再敷設一條40×4mm的熱鍍鋅扁鋼作為專用封閉的環(huán)形接地體。
�、郛斀ㄖ馐芾讚魰r，由鋼筋網(wǎng)構成的法拉第籠，不僅能保證建筑物內(nèi)人和電器設備的安全，還能保證各個系統(tǒng)設備的運行安全。
�、芨邔咏ㄖ奈菝妗w、柱、樓板、地面和基礎配置的鋼筋甚多，形成總截面很大的電氣通路，故障電流或雷電流都不可能使其熔斷，熱穩(wěn)定性極強。
3)高層建筑聯(lián)合接地的設置原則
高層建筑物內(nèi)各系統(tǒng)的接地應按下列原則連接后，再與基礎鋼筋連接。
�、俦Ｗo接地與配電動力的系統(tǒng)接地兩者連接。
�、谛畔⑾到y(tǒng)接地、電氣設備接地、計算機機柜接地、計算機線路濾波器接地等連接;
�、塾嬎銠C信號接地、醫(yī)療設備接地、通信(電子設備)接地等連接;
�、芊览籽b置接地必須單獨與基礎鋼筋焊接接地;
⑤聯(lián)合接地與建筑物內(nèi)等電位聯(lián)結時，可導電金屬固件連接要求R≤0.5Ω。
4)完善等電位聯(lián)結
高層建筑物內(nèi)除各系統(tǒng)接地外，還應將PE、PEN干線、總水管、煤氣管(應征得煤氣公司同意)、暖氣管、空調(diào)管道等金屬管道及可導電金屬部件等進行總等電位聯(lián)結。
�、偃藭�(jīng)常接觸的外露可導電部分應進行等電位聯(lián)結，如樓梯的金屬扶手、電梯的金屬門框、鋁合金窗框、玻璃幕墻、衛(wèi)生間所有金屬部件(如金屬掛衣鉤、金屬卷紙盒)、吊頂內(nèi)各種金屬管道、吊桿、電纜橋架的金屬可導電部分，以及包括過墻處金屬橋架底面斷開部分的跨接等。
�、诟邔咏ㄖ總�樓層應做等電位面，每層面積較大時，至少每個防火分區(qū)應設一個等電位接地端子板，每個端子板與墻或柱內(nèi)鋼筋至少保證兩處牢固連接，且與樓層地面鋼筋網(wǎng)連成地面等電位面。特殊區(qū)域如機房、消防中心等也應設置等電位面。
�、郾ＷC屋面接閃器接地的可靠連接。
5)防雷與接地小結
利用混凝土內(nèi)鋼筋網(wǎng)建立的聯(lián)合接地及等電位聯(lián)結體系，在確保人身和設備安全的同時，也可防止接地故障引發(fā)的火災。在一些鹽堿土質(zhì)地區(qū)，如采用直接敷設的人工接地裝置，過幾年就會銹蝕損壞，使建筑物失去接地保護。因接地體深埋于地下，人們對損壞情況不了解，直到出現(xiàn)故障才會意識到，因此更危險。利用基礎內(nèi)鋼筋網(wǎng)做接地體，使用年限與建筑物相同，還節(jié)約了大量的鋼材，是低碳經(jīng)濟的可行之路。
(2)民用需要系數(shù)法負荷計算的問題及解決措施
1)需要系數(shù)法負荷計算偏大的由來
民用建筑施工圖設計階段負荷計算的需要系數(shù)法，因計算簡便故而被廣泛采用。負荷計算是否合理，直接影響到變壓器、母線、電纜和中低壓電氣設備的選擇。需要系數(shù)法負荷計算涉及概率論、統(tǒng)計學等多門學科，因此在工程項目中調(diào)整系數(shù)是比較難掌握的。國內(nèi)現(xiàn)行的需要系數(shù)引自國外資料，與我國的實際情況有所偏差。需要系數(shù)已在我國沿用了數(shù)十年，從未進行過調(diào)整和修改，原國家各部委的系數(shù)數(shù)據(jù)也不盡相同，現(xiàn)有的一些系數(shù)數(shù)據(jù)表格也明確標注了“供參考數(shù)值偏大”。需要系數(shù)分做低限值和上限值，設計中一般都取上限值而忽略了下限值，選中間值的基本沒有，這是負荷計算數(shù)據(jù)偏大的又一個原因。
2)需要系數(shù)法負荷計算缺少參差分布系數(shù)(Kcf)
在確定降壓站、配變電所的變壓器、主母線、電纜干線及中、低配電設備時，除需要系數(shù)(Kx)、同期使用系數(shù)(KΣ)之外，還應考慮最大負荷的參差分布系數(shù)(Kcf)。下面就負荷計算中的系數(shù)作其本介紹。
需要系數(shù)Kx、同期系數(shù)KΣ、參差分布系數(shù)Kcf的定義：
需要系數(shù)Kx：由于一臺配電箱(柜)，一條配電干線，一臺配電變壓器的低壓側接有許多不同類型、不同工作制的用電設備，因此在負荷計算時，應將各種類型的用電設備乘以小于1的系數(shù)。這個系數(shù)就稱為用電設備的需要系數(shù)。
在實踐中，多臺設備基本上不會同時工作，即便是同時工作，也不會同時工作在額定負荷下，因此Kx的值不是一成不變的。
同期系數(shù)KΣ反映的是：由同一電源點供(配)電的各個下級配電所或回路之間用電的參差性和出現(xiàn)最大負荷的不同時性特征。KΣ分為有功負荷同期系數(shù)KΣP和無功負荷同期系數(shù)KΣQ，一般KΣP≤KΣQ.
參差分布系數(shù)Kcf是確定配變電所和主母線用電參差最大負荷的分布系數(shù)。Kcf的取值范圍一般為0.8~0.9，一般來說，民用建筑的面積及用電負荷越大、用電點分布越廣、自動化和智能化程度越高、選用節(jié)電產(chǎn)品越多，則應取系數(shù)的下限值，相反就要選用上限值。
需要系數(shù)法負荷計算取值過大，使選擇的各種電氣設備和裝置、主開關、應急電源(如柴油發(fā)電機、UPS、EPS等)容量就要相應增大，主母線、電纜截面相應增大，造成有色金屬的浪費，不僅不符合節(jié)能減排的國策，還增加了投資。當然，系數(shù)的調(diào)整要與項目特點、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃相配合，要與項目實際用電情況和發(fā)展裕量相得益彰。
3)典型案例
案例1：某銀行中心支行高層金融大廈(集中空調(diào))，在設計階段，經(jīng)需要系數(shù)法負荷計算，選用了6臺1000kVA的銅芯環(huán)氧樹脂全澆鑄干式變壓器(附帶風冷和溫度控制器)。自97年投入運行以來實際只投入4臺變壓器，另2臺處于拉閘冷備狀態(tài)。近期，該大廈經(jīng)節(jié)能減排改造，包括照明系統(tǒng)(光源、燈具和附件的更換，燈光智能控制)、風機盤管樓控模塊自動控制、電熱水器控制、電梯增設能量回饋裝置等，使得全年節(jié)電約56萬度，節(jié)約電費近42萬元。根據(jù)節(jié)能降耗改造后實際數(shù)據(jù)的采集和計算復核、反饋，驗證了參差分布系數(shù)存在的合理性。
案例2：某建筑設計研究院18層業(yè)務樓，面積12000m2，1987年竣工時經(jīng)需要系數(shù)法負荷計算，設置了兩臺400kVA銅芯全澆鑄干式變壓器，一臺工作一臺冷備，之后小區(qū)又興建了兩幢高層住宅樓(184戶)、4幢多層住宅樓和地下車庫，均由該業(yè)務樓配變電室供電，業(yè)務大樓改造后增加了空調(diào)系統(tǒng)，直至2004年才將兩臺400kVA變壓器更換為兩臺630kVA變壓器，仍然一工作，一冷備。由此可見，現(xiàn)行的民用建筑需要系數(shù)法負荷計算結果確實偏大很多，與當今土木工程節(jié)能減排降耗不符。希望主管部門組織專人考察和調(diào)研，取得科學合理的系數(shù)盡早推廣使用，避免造成不必要的浪費。
(3)LED新型光源的應用
近幾年，不少省市由于氣候原因引起電力匱乏而拉閘限電，很多工廠被迫減產(chǎn)、停產(chǎn)。我國照明用電量占總用電量的約12%，因而對照明系統(tǒng)的節(jié)能改造迫在眉睫，對緩解我國能源供應，保障能源供給安全具有重要的戰(zhàn)略意義。以11W高效節(jié)能熒光燈取代60W白熾燈為例，亮度提高20%，節(jié)電80%，若全國采用12億只光源，一年可節(jié)電約800億度，相當于三峽水電站一年所發(fā)的'電量。據(jù)測算，節(jié)約1億度電就相當于節(jié)約了4.04萬噸標準煤，可減少CO2排放量10.64萬噸，SO2排放量0.09萬噸。我國實施綠色照明工程以來，高效節(jié)能光源和裝置占有率不斷提高，國內(nèi)銷量迅猛增漲，獲得“中國節(jié)能產(chǎn)品”認證的廠商多達600多家。
光源的發(fā)展經(jīng)歷了熱輻射光源、氣體放電光源、節(jié)能氣體放電光源和LED半導體光源四個階段，節(jié)能的電光源已成為當今世界照明的主流。LED屬冷光源，產(chǎn)生熱量少，輻射集中在可見光范圍內(nèi)，產(chǎn)生的電磁輻射微乎其微，由于使用直流5V電源，故不會產(chǎn)生50Hz交流頻閃和蜂鳴。白光LED半導體固體照明光，自20世紀90年代中期問世以來，在建筑照明領域迅速發(fā)展，是21世紀最具有發(fā)展前景的光源，具有低電壓、低能耗、高光效、高可靠性、長壽命、免維護、體積小等優(yōu)點。LED光源可制成不同形狀的各種建筑燈具，因用其制造的燈具多將LED封閉在樹脂中，故堅固耐用、抗振動和撞擊。白光LED光源已成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一代表性產(chǎn)品，也是照明領域的又一次革命，將成綠色環(huán)保、高效節(jié)能、低碳照明系統(tǒng)的新生力量，對改善人類生存環(huán)境，提高生活質(zhì)量做出重大貢獻，必將和節(jié)能變壓器、節(jié)能電動機、永磁式交流接觸器、永磁式真空斷路器、變頻器等高節(jié)能產(chǎn)品載入我國建筑電氣節(jié)能的史冊。
(4)智能照明系統(tǒng)的節(jié)能措施
1)建筑照明首先應充分利用自然光。大開間的場所，照明燈具應順著窗戶平行敷設并且分區(qū)控制，并根據(jù)現(xiàn)成情況，還應適當增加控制開關。
2)建筑物公共場所的照明宜采取集中遙控的管理方式，并配備自動調(diào)光裝置。
3)照明系統(tǒng)可采用定時、調(diào)光、光電控制和聲光控制開關，以進一步節(jié)能，但節(jié)能的同時還應在應急狀態(tài)下強行點亮。
4)智能照明控制系統(tǒng)
隨著智能建筑的興起和普及，也帶動了智能照明技術的發(fā)展，得益于計算機技術、網(wǎng)絡技術及現(xiàn)場總線技術的成熟，智能照明控制系統(tǒng)具有數(shù)字化分布式的特點和良好的兼容性，同時它還是一種有效的節(jié)能管理方式，控制系統(tǒng)可按時間和環(huán)境的要求，對照明燈具進行預設和管理，不僅節(jié)約了電能，而且延長了光源壽命。
3 太陽能光伏建筑一體化是土木工程今后的發(fā)展方向
進入21世紀的人類社會正面臨著能源短缺和生態(tài)環(huán)境嚴重污染的局面。逐步改變能源消費結構，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已成為世界各國十分關注的重大問題。太陽能是理想的潔凈能源，不僅零碳，還取之不盡用之不竭。隨著能源危機的進一步加劇，新型綠色能源開發(fā)和利用再次引起了世界的關注，隨著科學技術發(fā)展，太陽能轉(zhuǎn)化成光能的效率大幅提升，發(fā)展光伏發(fā)電的大好時機已經(jīng)到來。
光伏建筑一體化是應用太陽能發(fā)電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力。根據(jù)光伏方陣與建筑結合方式的不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結合，這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支撐作用。另一類是光伏方陣與建筑的集成，這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分，如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)�。由于光伏方陣與建筑的結合不占用額外的地面空間，并節(jié)省電站輸配電網(wǎng)的投資，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。
大尺度的彩色光伏模塊可替代室外裝飾材料，也可作為建筑物玻璃幕墻，從而降低建筑物的整體造價。戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的獨立光發(fā)電站，除保證建筑物自身用電外，還可實現(xiàn)向配電網(wǎng)供電，以緩解高峰電力需求。安裝在屋頂和墻面上的光伏陣列直接吸收陽光熱量，降低屋頂和墻面溫度，也可改善室內(nèi)環(huán)境。
鑒于光伏建筑的眾多優(yōu)點，國際能源署(IEA)已將光伏建筑一體化作為光伏推廣應用的主要目標和任務，美國、日本等許多國家制訂了屋頂光伏計劃。近幾年，我國光伏建筑一體化系統(tǒng)也取得彌足發(fā)展，“九五”期間深圳、北京分別成功建成17kWp、7kWp光伏發(fā)電屋頂并實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。華能湖南湘祁水電站主廠房100.8kWp太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及京東方8代線廠房3000kWp光伏發(fā)電項目等都在緊鑼密鼓的籌備中。20世紀90年代，新疆地區(qū)曾在鐵路系統(tǒng)的車站、偏遠的電信基站等采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，達坂城市區(qū)的路燈也采用了光伏發(fā)電與城市電網(wǎng)互補的運行方式，但由于造價過高，在以后的民用建筑中很少被采用。光電轉(zhuǎn)化效率低和成本高是制約光伏建筑一體化發(fā)展的主要原因，但隨著科學技術的發(fā)展，這兩種不利因素基本上已被解決，而現(xiàn)在急需轉(zhuǎn)變的是大多數(shù)人對光伏發(fā)電的一些陳舊觀點。
因為關于太陽能發(fā)電、光伏建筑一體化的書籍和可參考資料很少，很多建筑師對光伏建筑一體化的概念不清(認為是發(fā)電專業(yè)和建筑電氣專業(yè)的事情)，甚至聞所未聞，因而心存芥蒂。目前，國家和行業(yè)相關部門還沒有正式出臺關于光伏建筑一體化的相關設計規(guī)范、規(guī)程、標準和安裝圖集，這也使設計師沒有設計依據(jù)可遵循。所以，光伏建筑一體化的推動應從加強對各級政府、企事業(yè)單位和建筑領域等宣傳力度做起，國家還應對光伏建筑給予一定的激勵政策，這對保證國家能源安全和供給也是同等重要的。
太陽能光伏發(fā)電設計的基本原則：
(1)可參照執(zhí)行的電氣設計施工規(guī)范有《10kV及以下配電所設計規(guī)范》(GB50053-1994)、《低壓配電設計規(guī)范》(GB50041-2009)、《民用建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ16-2008)、《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50303-2002)等。
(2)設計中應注意的相關問題
a.凡帶電部分均應絕緣不允許裸露，室外使用的線纜應為戶外型;
b.光伏組件應在方陣附近設有保護開關，具有短路、過流保護和過電壓保護功能;
c.組件安裝時使用的絕緣導體應采用2.5mm2及以上的銅芯導體，并遵守連線和穿線規(guī)格;
d.室內(nèi)外電氣安裝應執(zhí)行《建筑電氣工程施工圖施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50303-2002);
e.導線應使用端子排連接，連接端子處應有適當?shù)膽︶尫殴δ?
f.光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側不接地，交流側必須接地，可使用固定框架作為接地線，并與建筑物接地網(wǎng)連結。
(3)居住建筑太陽能發(fā)電工程的指導思想
目前，居住建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)均由生產(chǎn)公司生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試、驗收和維護。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體設備應包括太陽能光伏陣列、直流匯流箱、逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)、交流配電等。建筑、結構、設備、電氣專業(yè)設計師應共同確定并解決光伏發(fā)電系統(tǒng)設備在屋頂、墻面上安裝的最佳位置，利用空間通風降溫，考慮支撐柱與屋面下墻體柱的連接、系統(tǒng)配電和管道敷設具體位置、接地支架設計等問題，還須對安裝屋面裝載物抗風、抗雨雪能力，排水管合理布置以及屋面防滲水、屋面傾斜度或坡度(獲得最佳的日照和工作效率)等諸多問題綜合統(tǒng)籌。光伏發(fā)電系統(tǒng)還應設置SPD、漏電保護等保護，電池板的放置處應盡量避開建筑物、構筑物陰影。
側墻安裝的光伏電池板框架也應做等電位聯(lián)結，防側擊雷危害，配電系統(tǒng)同樣應設置SPD、漏電保護并且接地。屋頂、側墻安裝的光電池框架和其它裝置均應預埋鐵件，不得使用射釘固定。
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